王碩，楊彥軍，岳祖潤

(1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海，201804；2. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊，050043)

鎖口鋼管樁由焊接在大直徑鋼管上的連接對進行相互連接，常見的鎖口鋼管樁連接形式有“P-P型”、“P-T型”、“L-T型”3種[1-2]。1964年，鎖口鋼管樁在日本首次使用，最初鎖口鋼管樁多作為承臺基礎(chǔ)使用，近年來開始作為擋土結(jié)構(gòu)使用，特別是在沿海回填工程中取得了廣泛應(yīng)用[3-13]。但是目前對鎖口鋼管樁的變形機理與應(yīng)力在各單元間的傳遞機理依然不明確。僅有部分學者的研究表明通過在鎖口鋼管樁的連接對中注入漿液可提高整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度[10]，但是并未對其機理做進一步分析，各因素對抗彎剛度影響程度也不夠清晰。借鑒歐洲鋼板樁設(shè)計規(guī)范[14]中對鋼板樁設(shè)計所采用的折減行為(RMA)方法，分析連接處摩擦因數(shù)與冠梁對鎖口鋼管樁的抗彎剛度的影響，并分析鋼管壁厚、直徑以及圍護結(jié)構(gòu)置入深度對抗彎剛度的影響。

1 抗彎剛度折減行為

當樁體抵抗彎矩時，端部的豎向位移可顯著降低樁體抗彎剛度，該現(xiàn)象稱為抗彎剛度折減行為[14]。Lohmeyer[15]對彎曲剛度折減行為進行研究，該研究中提出了一個力學模型用來分析由于樁間相對豎向位移引起剪應(yīng)力傳導損失，從而導致彎曲剛度變化。Lohmeyer的模型將 U型板樁簡化為完全彈性梁進行分析，對相鄰兩樁完全剪應(yīng)力傳導與零剪應(yīng)力傳導 2種情況建立了理論分析模型，如圖2(a)和(b)所示；而支護樁在實際工作中是部分剪應(yīng)力傳導的，其工作狀況如圖 2(c)所示。Lohmeyer的研究成果被 Schillings等[16]，von Wolffersdorf[17]與 Hartmann-Linden 等[18]通過對現(xiàn)場鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果證實。英國規(guī)范BS8002[19]建議采用“彎曲連接對”來降低 RMA 的影響，但是后來的研究中發(fā)現(xiàn)采用“彎曲連接對”會引起樁體斜彎，從而使彎曲剛度降低24%，因此在實際工程中“彎曲連接對”并沒有廣泛采用。

Byfield等[20]在實驗室內(nèi)建立了U型鋼板樁1/8縮尺模型，并通過如圖3所示的加載結(jié)構(gòu)進行三角形荷載加載。實驗分為5組：(1) 連接對中注入黃油；(2) 普通連接對；(3) 連接對中填充粗砂；(4) 連接對中填充粗砂并將梁頂用螺栓固定(模擬冠梁)；(5) 將樁兩端用螺栓固定。實驗結(jié)果表明5組實驗對象的抗彎剛度依次增大，可見提高樁間摩擦力與約束端部縱向位移可有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，所以其抗彎剛度折減系數(shù)依次降低。

圖1 鎖口鋼管樁連接形式[2]Fig. 1 Types of joints in steel pipe sheet piles[2]

圖2 樁間剪應(yīng)力傳導模型[20]Fig. 2 Cases of shear transfer in pile sections[20]

圖3 三角形荷載加載結(jié)構(gòu)[20]Fig. 3 Loading arrangement used during experimental testing[20]

Byfield和Mawer[20]的研究存在以下問題：

(1) 試件小于實際構(gòu)件，其位移-應(yīng)力關(guān)系不能準確模擬鋼板樁實際的工作情況；試件兩端的約束形式與鋼板樁實際工作中端部約束不同。

(2) 加載形式只是近似三角形，與樁體在土中承受的土壓力有所差異；只分析了主動土壓力的影響，加載系統(tǒng)中沒有被動土壓力。

(3) 摩擦力對折減行為影響分析中僅做了定性分析，沒有定量分析。

2 數(shù)值分析模型

本分析模型采用P-T連接，如圖4所示。在小鋼管開口與工字鋼腹板接觸處(實際中小鋼管是不與工字鋼腹板接觸的，二者是通過填充在其中的土體進行剪應(yīng)力傳導的)設(shè)置接觸對，來模擬摩擦力對折減行為的影響。在鋼管樁兩側(cè)分別作用主動土壓力與被動土壓力，均呈三角形分布，主動土壓力作用范圍為整個樁長，被動土壓力作用范圍為樁頂下11 m至樁腳處；假定土層均勻分布，密度ρ=1 800 kg/m3，側(cè)向土壓力系數(shù)K=0.5。最大位移出現(xiàn)在樁頂下10 m左右(圖5)，與實際中的基坑支護結(jié)構(gòu)接近。

圖4 分析模型Fig. 4 Analysis model

圖5 鋼管樁水平位移結(jié)果模型Fig. 5 Result model of horizontal displacement

分析分為4組，分別研究：(1) 摩擦因數(shù)、冠梁、第一道支撐；(2) 鋼管壁厚；(3) 直徑；(4) 置入深度4個方面影響。

(1) 摩擦因數(shù)與約束：樁頂無約束、樁頂設(shè)置冠梁、樁頂設(shè)置支撐、樁頂設(shè)置支撐+冠梁情況下摩擦因數(shù)分別為 0，1，5，10，因為工字鋼與小鋼管接觸面積小，故大幅提高了其摩擦因數(shù)以分析其對折減行為影響；

(2) 鋼管壁：厚10，15，20和25 mm。

(3) 直徑：0.6，0.9，1，1.2和1.4 m。

(4) 置入深度：11，12，13，14和15 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 摩擦因數(shù)與約束

圖6所示為不同摩擦因數(shù)與約束條件下的樁體最大位移。從圖6可以發(fā)現(xiàn)：當端部約束條件相同時，無論連接對間摩擦因數(shù)如何改變，其最大樁體位移不發(fā)生變化?？梢娔Σ烈驍?shù)不是鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的影響因素。該現(xiàn)象與U型鋼板樁截然不同，這是因為鎖口鋼管樁截面形式不同于U型鋼板樁。U型鋼板樁的截面關(guān)于中性面是非對稱的(圖2)，當樁間剪應(yīng)力傳導損失時截面形心軸偏移，導致截面整體慣性矩降低，從而抗彎剛度降低。而鎖口鋼管樁的截面是對稱的，即使剪應(yīng)力傳導出現(xiàn)損失，整體截面慣性矩也不會降低，所以抗彎剛度也不會降低。在連接對中填充碎石或者注漿是通過降低連接對之間的相對水平位移以及提高結(jié)構(gòu)整體模量來提高其抗彎剛度，這與U型板樁在連接對中填充粗砂以提高其摩擦因數(shù)來控制抗彎剛度折減的理論基礎(chǔ)完全不同，所以 Katayama等[21]提出的在連接對的小鋼管與工字鋼腹板上進行刻畫來減少結(jié)構(gòu)抗彎剛度折減的做法并不合理。

圖6 不同摩擦因數(shù)與約束條件下樁體最大位移Fig. 6 Maximum displacement of piles when friction coefficient and boundary constrain are different

當樁頂設(shè)置冠梁與橫撐時最大樁體位移顯著降低，只設(shè)置冠梁時最大位移降低 70.1%，只設(shè)置橫撐時降低 93.3%，同時設(shè)置冠梁與橫撐時降低 96.4%。可見樁頂設(shè)置冠梁是降低抗彎剛度折減的有效方法。因此在采用鎖口鋼管樁做基坑支護結(jié)構(gòu)時應(yīng)設(shè)置冠梁并第一時間安裝樁頂位置的支撐。

3.2 鋼管壁厚

若不考慮抗彎剛度折減行為，就單根鋼管樁而言在相同外徑下抗彎剛度隨著壁厚的增加而增大，但是當壁厚增加時冠梁對抗彎剛度折減影響程度尚無研究。圖7所示為鋼管外徑1 m時不同壁厚條件下的最大樁體位移與設(shè)置冠梁后最大位移減少百分比隨鋼管壁厚變化情況。從圖7可以發(fā)現(xiàn)：冠梁對抗彎剛度折減的削弱隨壁厚的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

圖7 最大位移和位移減少百分比與壁厚關(guān)系Fig. 7 Relationship between thickness and maximum displacement and decrease of displacement

3.3 鋼管直徑

圖8所示為鋼管壁厚為15 mm時不同直徑條件下的最大樁體位移與設(shè)置冠梁后最大位移減少百分比隨鋼管直徑的變化。與厚度改變時情況類似，冠梁對抗彎剛度折減的削弱隨著直徑的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，同樣呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

3.4 鋼管置入深度

圍護結(jié)構(gòu)置入深度是基坑工程設(shè)計中的重要參數(shù)，置入深度對圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆能力與結(jié)構(gòu)變形都有一定影響。圖9所示為假定基坑開挖深度均為11 m時樁體最大位移與安裝冠梁后位移減少百分比與鋼管總長的關(guān)系。對無支撐鎖口鋼管樁支護基坑的現(xiàn)場監(jiān)測已表明對于相同開挖深度的基坑，樁體最大水平位移隨置入深度的增大而增大[22]，這與前述計算結(jié)果一致。冠梁對鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的削弱隨置入深度的增加而加強，并且呈近似指數(shù)發(fā)展。

圖8 最大位移和位移減少百分比與直徑關(guān)系Fig. 8 Relationship between diameter and the maximum displacement and decrease of displacement

圖9 最大位移和位移減少百分比與鎖口鋼管樁長度關(guān)系Fig. 9 Relationship between length and maximum displacement and decrease of displacement

4 結(jié)論

(1) 鎖口鋼管樁與U型鋼板樁不同，鎖口處摩擦系數(shù)大小并不影響其抗彎剛度折減，但冠梁(端部約束)可顯著減少鎖口鋼管樁的抗彎剛度折減。

(2) 采用鎖口鋼管樁做基坑支護結(jié)構(gòu)時應(yīng)設(shè)置冠梁并第一時間安裝樁頂位置的支撐。

(3) 隨著鋼管壁厚與直徑的增加，鎖口鋼管樁結(jié)構(gòu)抗彎剛度顯著提高，但冠梁對抗彎剛度折減的削弱隨壁厚與直徑的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

(4) 冠梁對鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的削弱隨置入深度的增加而加強，并且呈近似指數(shù)發(fā)展。

[1] Kawoki. Steel pipe sheet pile foundations design and construction[R]. Tokyo: Japanese Association for Steel Pipe Piles, 1999: 123-128.

[2] Sakiza. Reference for highway bridge design specifications for highway bridges: Part IV[R]. Tokyo: Japan Road Association,2002: 24-26.

[3] Risselada T J．Application of Tubular Steel Pipes as Structural Elements for Retaining Walls [J]. Dock and Harbor Authority,1986, 66(2): 215-220.

[4] Toshio A. Studies on the joint structure between footing concrete and steel sheet pipe pile wall[J]. Doboku Gakkai Rombun Hokokushu, 1988, 8(2): 47-56.

[5] Masakazu F. Large scale maritime structures using steel pipe piles[J]. Kawasaki Steel Technical Report, 1997(7): 41-47.

[6] Hisatoshi S. Steel sheet pile with drain pipe ‘Drain SP’[J]．NKK Technical Review, 1998(12): 46-53.

[7] Kimura M. Offshore Construction of Bulkhead Waste Facilities by H-joint Steel Pipe Sheet Piles[C]//BGA International Conference on Foundations: Innovations, Observations, Design and Practice. Dundee: British Geotechnical Association, 2003:443-452.

[8] Inazumi S. Construction of vertical cutoff barrier using h-jointed steel pipe sheet piles with H-H joints[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2005, 54(11): 1105-1110.

[9] Inazumi S. Impermeable Properties of H-jointed Steel Pipe Sheet Piles with H-H Joints[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2008, 57(1): 50-55.

[10] Koichi I, Makoto K. Centrifuge model test and numerical analysis on steel pipe sheet piles reinforcement method[C]//Geo Congress 2008: Characterization, Monitoring, and Modeling of Geo Systems (GSP 179) Proceedings of sessions of Geo Congress 2008. Louisiana: ASCE, 2008: 165-172.

[11] Makoto K, Shinya I, Too J K A, et al. Development and application of H-joint steel pipe sheet piles in construction of foundations for structures[J]. Soils and Foundations, 2007, 47(2):237-251.

[12] Shinya1 I, Makoto K, Tadashi K T W, et al. Experimental study on impermeable properties of H-jointed SPSPs with H-H joints under soil coexistence[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2010, 59(1): 74-77.

[13] Shinya I, Makoto K, Kazuhiro Y, et al. Construction of vertical cutoff barrier using H-jointed steel pipe sheet piles with H-H joints[J]. Journal of the Society of Materials Science, 2005,54(11): 1105-1110.

[14] CEN Eurocode 3. Design of steel structures, Part 5: Piling[S].

[15] Lohmeyer E. Discussion to ‘Analysis of sheet pile bulkheads’ by P. Baumann[J]. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 1934, 61(3): 47-55.

[16] Schillings R, Boeraeve P. Design rules for steel sheet piles—ECSC Project[R]. Lie’ge: CRIF Department of Steel Construction, 1996.

[17] von Wolffersdorf P A. Verformungsprongnosen fur Stutzkonstruktionen[R]. Kalrsruhej: Universitat Fridericiana,1997: 74-78.

[18] Hartmann-Linden R, et al. ECSC-Project final report.Development of rules for steel sheet piles and introduction into Eurocode 3: Part 5[R]. Aachen: RWTH, 1997: 59-66.

[19] BS8002. Earth retaining structures[S].

[20] Byfield M P, Mawer R W. Analysis of reduced modulus action in U-section steel sheet piles[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(3): 401-410.

[21] Katayama T, Nishimura S, Sakamoto S. Recent developments in steel pipe sheet pile methods[J]. Foundation Mechanics, 1993, 11:32-42.

[22] 王碩. 填海造陸地區(qū)鋼管樁支護深基坑變形特性研究[D]. 石家莊: 石家莊鐵道大學土木工程學院, 2010: 84-96.WANG Shuo. Deformation-property study of deep excavation supported by steel pipe sheet pile in sea reclamation areas[D].Shijiazhuang: Shijiazhuang Tiedao University. School of Civil Engineering, 2010: 84-96.